(57)【要約】【課題】  コロイド結晶段階での粒子配列の状況の確認、その後の転換工程における工程の進行状況の確認を膜面方向からも行え、コロイド結晶、微粒子構造体及び周期構造体を膜面方向からも利用できるようにすること。【解決手段】  シリコン基板上に面間の角度をθとするときに｜cosθ｜＝1/3 または｜cosθ｜＝1となる凹凸を形成し、その上にニッケル電鋳を行った後、シリコン基板から剥離し、凹凸を転写したニッケッル・モールドを作成。透明基板にＵＶ硬化型樹脂を塗布し前記ニッケッル・モールドを押し付けシリコン凹凸が転写された透明基板を得る。この２枚の透明基板513,513aを、凹凸面を向かい合わせスペーサー504を挟んで微小空間508を有する構成物501を作成し、その下端を微粒子分散液につけて微小空間に微粒子を導入集積させ、コロイド結晶を得る。溶媒を蒸発させ膜状微粒子構造物を得、さらに微粒子を除去し膜状周期構造体を得る。【選択図】      図５
2007033594.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二つの基板間に平行に挟まれた空間に球形状単分散微粒子分散液を充填することにより微粒子を配列させたコロイド結晶において、前記基板の球形状単分散微粒子分散液に接する側の表面が微小な複数の平面の組み合わせによる凹凸により構成されており、構成する微小な平面間の角度θが、｜cosθ｜＝１／３、または｜cosθ｜＝１となっていることを特徴とするコロイド結晶。
【請求項２】
請求項１に記載のコロイド結晶において、前記基板が透明であることを特徴とするコロイド結晶。
【請求項３】
請求項１または２に記載のコロイド結晶において、前記基板は、平滑な表面を有する透明材質１と、該透明材質１の平滑な表面の上に凹凸状に形成された透明材質２からなることを特徴とするコロイド結晶。
【請求項４】
請求項３に記載のコロイド結晶において、前記基板における前記透明材質１と前記透明材質２の屈折率が同一であることを特徴とするコロイド結晶。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のコロイド結晶を製造するコロイド結晶製造方法において、
二つの基板間に平行に挟まれた空間に球形状単分散微粒子分散液を充填し微粒子が配列したコロイド結晶を形成する工程と、
前記基板の複数の平面の組み合わせによる凹凸を、単結晶基板の表面に対してエッチピット処理を施して形成した凹凸形状を転写することにより形成する工程を有することを特徴とするコロイド結晶の製造方法。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のコロイド結晶を含む膜状微粒子構造体の製造方法において、
二つの基板間に平行に挟まれた空間に球形状単分散微粒子分散液を充填し、粒子を配列させたコロイド結晶を形成する工程と、
前記コロイド結晶から前記球形状単分散微粒子分散液に含まれる分散媒を除去する工程を有することを特徴とする膜状微粒子構造体の製造方法。
【請求項７】
請求項６に記載の膜状微粒子構造体の製造方法において、前記分散媒を除去する工程は、任意の方向から優先的に行われることを特徴とする膜状微粒子構造体の製造方法。
【請求項８】
請求項７に記載の膜状微粒子構造体の製造方法において、コロイド結晶中の配列した粒子を、平行に配置した前記二枚の基板のうちの片側の基板に吸着させた後、あるいは、吸着させながら、前記分散媒の除去が行われることを特徴とする膜状微粒子構造体の製造方法。
【請求項９】
請求項６〜８のいずれか１項に記載の膜状微粒子構造体の製造方法により製造したことを特徴とする膜状微粒子構造体。
【請求項１０】
請求項６〜８のいずれか１項に記載の膜状微粒子構造体の製造方法により製造した膜状微粒子構造体の微粒子間に、該微粒子の材質とは異なる材質を充填、固化した後に前記微粒子を除去することを特徴とする膜状周期構造体の製造方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の膜状周期構造体の製造方法により製造したことを特徴とする膜状周期構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜状に微粒子を三次元的に配置させたコロイド結晶、該コロイド結晶から形成した膜状微粒子構造体、及び、該微粒子構造体を元型にして形成する膜状周期構造体およびそれらの製造方法に関するものである。本発明に係る膜状微粒子構造体及び膜状周期構造体は、これらの構造体を利用したフォトニック結晶を用いた光学部品、光学システム、フォトニック・デバイス、フォトニック・デバイスを集積させた光集積回路などの広範な光学技術分野に適用可能である。
【背景技術】
【０００２】
近年、屈折率の異なる複数の物質を光の波長程度の周期で組み合わせることによって全く伝搬されない光のエネルギー領域（フォトニックバンドギャップ）を持つ微粒子構造体が開発されている。このような微粒子構造体は、フォトニック結晶とも呼ばれ、光デバイスや電磁波フィルターに応用できる材料として近年注目されている。
【０００３】
また、自然界ではオパールが一種のフォトニック結晶となっていることが知られており、微粒子が高度に規則配列して結晶構造を形成する微粒子構造体をオパール結晶ともいう。
【０００４】
平板上のキャピラリー内にコロイド結晶を形成する際に、基板に単結晶基板のエッチピット処理をしたもの用いた微粒子の配列形成に関わる従来技術として、例えば特開２００５−４０６４７号公報（特許文献１）、特開２００４−２７１９５号公報（特許文献２）、特開２００４−１１９４２８号公報（特許文献３）、特開２００３−２１２７００号公報（特許文献４）、特表２００３−５０８３４２号公報（特許文献５）、特開２００３−１８５８３２号公報（特許文献６）、特開２００１−１７０５００号公報（特許文献７）、特開２０００−２２１２９号公報（特許文献８）に記載されたものがある。
【０００５】
また、コロイド結晶及びオパール結晶の形成にかかわり、基板の転写について言及している従来技術として、例えば特開２００４−２６１７４６号公報（特許文献９）、特表２００４−５１１８２８号公報（特許文献１０）、特開２００４−１１７４５６号公報（特許文献１１）に記載されたものがある。
【０００６】
以下、上記従来技術の要約を記す。
ａ）特開２００５−０４０６４７号公報（特許文献１）に記載されたものは、コロイド結晶の作成方法に関する発明で、平板状キャピラリー形状を有する容器中の微粒子分散液にパルス状の圧力変動を与えることにより、単結晶製のよいコロイド結晶を作成するというものである。
【０００７】
ｂ）特開２００４−２７１９５号公報（特許文献２）に記載されたものは、空孔が規則正しく配列した構造を有する刺激応答性高分子ゲルに関する発明である。微粒子の配列方法としては、一般的な形成方法も挙げているが、微粒子分散液を、基板上に滴下し、微粒子分散液に用いられている溶媒を留去するとよいとしている。ただし、この公報には、“留去”という手法の定義に関する記載はない。
【０００８】
ｃ）特開２００４−１１９４２８号公報（特許文献３）に記載されたものは、配向と面内方位が制御された微粒子構造体を薄膜状で形成する方法に関する発明である。基板に単結晶基板を用い、｛１１１｝結晶面顕在化処理を行い、基板上に｛１１１｝面により構成される凹形状を形成した後、親水化処理工程を行い、基板を容器に入った微粒子分散液中に配置し、微粒子をこの凹形状にならわせて粒子を沈降・堆積させることにより微粒子構造体を形成するようにしたものである。
【０００９】
ｄ）特開２００３−２１２７００号公報（特許文献４）に記載されたものは、コロイド結晶及びオパール結晶の作成方法に関する発明で、平板状キャピラリー内の微粒子分散液に一軸方向に微粒子分散液を流動させ、剪断流動を与えることによってコロイド単結晶を形成した後に、媒質をキャピラリーから抜くが、このときに、平板状キャピラリーの入口側開口部を広く、奥が狭いテーパー状とすることにより、微粒子配列の乱れを防ぎ、容器の材質に一定の透湿性を有する透明プラスチックを使用することにより、その後の乾燥が均一に行われるようにしたものである。
【００１０】
ｅ）特表２００３−５０８３４２号公報（特許文献５）に記載されたものは、コロイド結晶作成に関する発明で、二枚の平行な基板にはさまれたギャップ内に微粒子分散液を配置し、微粒子分散液にせん断流動を与えて、コロイド結晶配列とした後に、第一のせん断流動とは異なる方向にせん断流動を加えることにより、さらに単結晶に近づけるというものである。
【００１１】
ｆ）特開２００３−１８５８３２号公報（特許文献６）に記載されたものは、微粒子構造体の基板面内での結晶方向と面方位の制御に関する発明で、結晶性の基板表面に｛１１１｝結晶面が顕在化するような処理を施し、この上に粒子を堆積させることにより、微粒子構造体の結晶方位を制御している。
【００１２】
ｇ）特開２００１−１７０５００号公報（特許文献７）に記載されたものは、多孔体とその応用に関する発明で、触媒、触媒担体、フイルタ−、酵素用担体、吸着剤、充填材などの応用を想定している。製造上、粒子配列を利用しているが、高度な結晶構造を形成するというよりは、ランダムなポアを作るために、粒子配列が利用されている。
【００１３】
ｈ）特開２０００−２２１２９号公報（特許文献８）に記載されたものは、パターニングされた半導体ナノ粒子配列からなる多色デバイスに関する発明で、粒子配列は基板上に滴下した微粒子分散液のスポットが乾燥する際に自己配列するのを利用している。
【００１４】
ｉ）特開２００４−２６１７４６号公報（特許文献９）に記載されたものは、微粒子配列構造体の製造方法に関する発明であるが、粒子配列の成長に適した基板上で粒子配列を行い、次に、任意の基板上へ微粒子配列構造体を転写することにより、任意の基板上で微粒子配列構造体が得られるという発明である。
【００１５】
ｊ）特表２００４−５１１８２８号公報（特許文献１０）に記載されたものは、リソグラフィ技術を用いて基板上に凹凸を形成することにより、凹部分にオパール、及び、インバース構造を形成した発明である。
【００１６】
ｋ）特開２００４−１１７４５６号公報（特許文献１１）に記載されたものは、基板上に粒子をパターン配列させたものを、この後の粒子配列の工程の型として用いることにより、粒子サイズの精度で、大量生産を可能にするという発明である。
【００１７】
【特許文献１】特開２００５−０４０６４７号公報（特許文献１）
【特許文献２】特開２００４−２７１９５号公報（特許文献２）
【特許文献３】特開２００４−１１９４２８号公報（特許文献３）
【特許文献４】特開２００３−２１２７００号公報（特許文献４）
【特許文献５】特表２００３−５０８３４２号公報（特許文献５）
【特許文献６】特開２００３−１８５８３２号公報（特許文献６）
【特許文献７】特開２００１−１７０５００号公報（特許文献７）
【特許文献８】特開２０００−２２１２９号公報（特許文献８）
【特許文献９】特開２００４−２６１７４６号公報（特許文献９）
【特許文献１０】特表２００４−５１１８２８号公報（特許文献１０）
【特許文献１１】特開２００４−１１７４５６号公報（特許文献１１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
上記従来技術によれば、凹凸が設けられた基板を用い、転写などにより微粒子構造体の結晶方向と面方位の制御を行うことは開示されている。しかし、エッチピット処理を施した単結晶基板の表面形状を転写した基板により平行にはさまれた空間に球形状単分散微粒子分散液を充填し、粒子を配列させるようにしたものはなく、基板上に形成される粒子層数が少ない場合には、基板表面の境界条件による規制により、｛１１１｝配向以外の微粒子構造体が堆積するが、粒子層数が大きくなってくると、自由表面の境界条件の効果により、微粒子構造体は｛１１１｝配向に転じてしまうという問題があり、通常は、基板形状を利用した微粒子構造体の結晶配向制御は、数層までが限界であった。
【００１９】
そこで、本出願人は、上記問題を解消し、粒子層数が数層以上の膜厚においても、微粒子構造体の基板面内での方向および面方位を制御し、｛１１１｝配向以外の面心立方構造を有する微粒子構造体を形成することができる膜状微粒子構造体の製造方法を、特願２００５−１４８８９３（以下、先願という）として提案している。
【００２０】
上記先願は、基板の表面に対してエッチピット処理を施した単結晶基板を平行に配置して形成された空間に球形状単分散微粒子分散液を充填することによって粒子を配列させるようにした膜状に微粒子を三次元的に配置させたコロイド結晶、該コロイド結晶から形成する膜状微粒子構造体、該膜状微粒子構造体を元型にして形成した膜状周期構造体およびその製造方法に関するものである。
【００２１】
上記先願は、基板に結晶基板を用いており、結晶の異方性エッチングの特性を利用して｛１１１｝結晶面によって構成されるエッチピット形状を形成し、これにより、｛１１１｝配向以外の面心立方構造を有する微粒子構造体を実現するようにしたものである。しかしながら、エッチピット処理により｛１１１｝結晶面が得られる結晶基板を用いるという点で、利用する上で限定があった。
【００２２】
こうしたエッチピット処理により、適切な形状が得られる結晶基板としてはシリコン基板があるが、シリコン基板は可視光領域において透明ではない。このため、上記先願の明細書の中でも、コロイド結晶の形成を光学的に確認するのに、測定用の入射窓を研磨により形成して、ここから確認を行っている。以上のように、コロイド結晶の粒子配列は、側方から行わねばならないという不具合があった。
【００２３】
また、コロイド結晶から微粒子構造体（オパール結晶）への転換工程においても、基板が可視光領域において透明でないため目視により直接確認できず、条件を得るのに手間がかかっていた。
【００２４】
同様に、微粒子構造体（オパール結晶）から周期構造体（インバース構造）への転換工程においても、基板が透明でないため目視により直接確認できず、条件を得るのに手間がかかっていた。
【００２５】
また、やはり基板が透明ではないという理由のために、コロイド結晶及び微粒子構造体（オパール結晶）の形態では、利用する際には、膜面方向からの利用はできず、側方からの利用に制限されていた。周期構造体（インバース構造）においても、透明な別基板に転写しない限り、利用する際には、膜面方向からの利用はできず、側方からの利用に制限されていた。
【００２６】
本発明は、上述の問題点を解決するためになされたものであり、コロイド結晶段階での粒子配列の状況の確認、及び、その後の転換工程における工程の進行状況の確認を膜面方向からも行えるようにすることを目的とする。
【００２７】
また本発明は、コロイド結晶、微粒子構造体（オパール結晶）及び周期構造体（インバース構造）を膜面方向からも利用できるようにすることを目的とする。
【００２８】
以下、各請求項のより具体的な目的を記す。
ａ）請求項１記載の発明は、微粒子構造体が液相中で形成されているコロイド結晶において、｛１１１｝配向以外の面心立方構造を有するコロイド結晶を提供することを目的とする。
【００２９】
ｂ）請求項２記載の発明は、微粒子構造体が液相中で形成されているコロイド結晶において、粒子配列の状況の確認を膜面方向からも行えるようにすること、及び、コロイド結晶を膜面方向からも利用できるようにすることを目的とする。
【００３０】
ｃ）請求項３及び請求項４記載の発明は、請求項１または請求項２に記載のコロイド結晶において、請求項１の条件を満たしつつ、透明である基板の構造を提供することを目的とする。
【００３１】
ｄ）請求項５記載の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載のコロイド結晶の基板の形成方法を提供することを目的とする。
【００３２】
ｅ）請求項６記載の発明は、｛１１１｝配向以外の面心立方構造を有するコロイド結晶を微粒子構造体（オパール結晶）とすることにより、光学応用上より有益な構造とすること、及び、インバース構造などのさらに複雑な構造へと転換するための出発構造となる膜状微粒子構造体の製造方法を提供することを目的とする。
【００３３】
ｆ）請求項７及び請求項８記載の発明は、固相の膜状微粒子構造体の製造方法において、分散媒を除去する工程で、微粒子の配列構造を乱さない具体的な製造方法を提供することを目的とする。請求項９記載の発明は、本発明に係る膜状微粒子構造体を提供することを目的とする。
【００３４】
ｇ）請求項１０記載の発明は、｛１１１｝配向以外の面心立方構造を有する微粒子構造体をインバース構造とすることにより、光学応用上、より有益な構造とすることを目的とする。請求項１１記載の発明は、本発明に係る膜状周期構造体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３５】
本発明は、上記目的を達成するために、次の如き構成を採用した。以下、請求項毎の構成を述べる。
【００３６】
ａ）請求項１記載の発明は、二つの基板間に平行に挟まれた空間に球形状単分散微粒子分散液を充填することにより微粒子を配列させたコロイド結晶において、前記基板の球形状単分散微粒子分散液に接する側の表面が微小な複数の平面の組み合わせによる凹凸により構成されており、構成する微小な平面間の角度θが、｜cosθ｜＝１／３、または｜cosθ｜＝１となっていることを特徴とする。
【００３７】
ｂ）請求項２記載の発明は、請求項１に記載のコロイド結晶において、前記基板が透明であることを特徴とする。
【００３８】
ｃ）請求項３記載の発明は、請求項１または２に記載のコロイド結晶において、前記基板は、平滑な表面を有する透明材質１と、該透明材質１の平滑な表面の上に凹凸状に形成された透明材質２からなることを特徴とする。
【００３９】
ｄ）請求項４記載の発明は、請求項３に記載のコロイド結晶において、前記基板における前記透明材質１と前記透明材質２の屈折率が同一であることを特徴とする。
【００４０】
ｅ）請求項５記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載のコロイド結晶を製造するコロイド結晶製造方法において、二つの基板間に平行に挟まれた空間に球形状単分散微粒子分散液を充填し微粒子が配列したコロイド結晶を形成する工程と、前記基板の複数の平面の組み合わせによる凹凸を、単結晶基板の表面に対してエッチピット処理を施して形成した凹凸形状を転写することにより形成する工程を有することを特徴とする。
【００４１】
ｆ）請求項６記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載のコロイド結晶を含む膜状微粒子構造体の製造方法において、二つの基板間に平行に挟まれた空間に球形状単分散微粒子分散液を充填し、粒子を配列させたコロイド結晶を形成する工程と、前記コロイド結晶から前記球形状単分散微粒子分散液に含まれる分散媒を除去する工程を有することを特徴とする。
【００４２】
ｇ）請求項７記載の発明は、請求項６に記載の膜状微粒子構造体の製造方法において、前記分散媒を除去する工程は、任意の方向から優先的に行われることを特徴とする。
【００４３】
ｈ）請求項８記載の発明は、請求項７に記載の膜状微粒子構造体の製造方法において、コロイド結晶中の配列した粒子を、平行に配置した前記二枚の基板のうちの片側の基板に吸着させた後、あるいは、吸着させながら、前記分散媒の除去が行われることを特徴とする。
【００４４】
ｉ）請求項９記載の発明は、請求項６〜８のいずれか１項に記載の膜状微粒子構造体の製造方法により製造したことを特徴とする膜状微粒子構造体である。
【００４５】
ｊ）請求項１０記載の発明は、請求項６〜８のいずれか１項に記載の膜状微粒子構造体の製造方法により製造した膜状微粒子構造体の微粒子間に、該微粒子の材質とは異なる材質を充填、固化した後に前記微粒子を除去することを特徴とする膜状周期構造体の製造方法である。
【００４６】
ｋ）請求項１１記載の発明は、請求項１０に記載の膜状周期構造体の製造方法により製造したことを特徴とする膜状周期構造体である。
【発明の効果】
【００４７】
本発明によれば、コロイド結晶段階での粒子配列の状況の確認、及び、その後の転換工程における工程の進行状況の確認を膜面方向からも行え、また、コロイド結晶、微粒子構造体（オパール結晶）及び周期構造体（インバース構造）を膜面方向からも利用できるようにすることが可能となる。以下、本発明の請求項毎の効果を述べる。
【００４８】
ａ）請求項１記載の発明の効果
請求項１に記載の発明は、｛１１１｝配向以外の面心立方構造を有するコロイド結晶を形成することによって｛１１１｝配向以外の特性を有するコロイド結晶を提供することができるという効果を奏する。
【００４９】
ｂ）請求項２記載の発明の効果
請求項２に記載の発明は、基板が透明であることによって、コロイド結晶を膜面方向からも利用できるという効果を奏する。
【００５０】
ｃ）請求項３記載の発明の効果
請求項３に記載の発明は、平滑な表面を有する透明材質１の表面の上に透明材質２により凹凸形状を形成しているので、請求項１の条件を満たしつつ、透明な基板を実現できるという効果を奏する。
【００５１】
ｄ）請求項４記載の発明の効果
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の材質１と材質２の屈折率が同一なので、材質１と材質２の界面において、意図しない光線の屈折を防止できるという効果を奏する。
【００５２】
ｅ）請求項５記載の発明の効果
請求項５に記載の発明は、単結晶基板２の表面に対してエッチピット処理を施して形成した凹凸形状を元型として、転写法をもちいるので、請求項１の条件を満たした表面形状を有する透明基板を刑することができるという効果を奏する。
【００５３】
ｆ）請求項６記載の発明の効果
請求項６に記載の発明は、｛１１１｝配向以外の面心立方構造を有するオパール結晶を形成することによって｛１１１｝配向以外の特性を有するオパール結晶を提供することができるという効果を奏する。
【００５４】
ｇ）請求項７記載の発明の効果
請求項７に記載の発明は、分散媒の除去が任意の方向から行われることにより、コロイド結晶状態で規則正しく配列した微粒子配列を乱すことなく、分散媒の除去が行えるという効果を奏する。
【００５５】
ｈ）請求項８記載の発明の効果
請求項８に記載の発明は、平行に配置した二枚の基板のうちの片側の基板に吸着した後、あるいは、吸着しながら、分散媒の除去を行うことにより、コロイド結晶状態で規則正しく配列した微粒子配列を乱すことなく、分散媒の除去が行えるという効果を奏する。
【００５６】
ｉ）請求項９記載の発明の効果
請求項９記載の発明は、膜面方向から確認、利用できるという効果を有する微粒子構造体（オパール結晶）である。
【００５７】
ｊ）請求項１０記載の発明の効果
請求項１０に記載の発明は、｛１１１｝配向以外の面心立方構造を有するインバース構造を形成することによって｛１１１｝配向以外の特性を有するインバース構造を提供することができるという効果を奏する。
【００５８】
ｋ）請求項１１記載の発明の効果
請求項１１記載の発明は、膜面方向から確認、利用できるという効果を有する周期構造体（インバース構造）である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５９】
（本発明の原理および概要の説明）
本発明の実施例を説明する先だって、まず、本発明の原理および概要について説明しておく。
【００６０】
本発明が｛１１１｝配向以外の面心立方構造を有する微粒子構造体を形成できる原理は、先に述べた先願（特願２００５−１４８８９３）と同様の、以下に述べる原理に基づいている。
【００６１】
上述したように、特開２００４−１１９４２８号公報（特許文献３）及び特開２００３−１８５８３２号公報（特許文献６）に開示されたものは、微粒子構造体の基板面内での方向および面方位を制御し、｛１１１｝配向以外の面心立方構造を有する微粒子構造体を形成するためになされた発明であったが、堆積中の微粒子構造体に自由表面が存在するため、粒子層数が大きくなってくると、｛１１１｝配向に転じてしまうという問題があることがわかり、そのため、上記先願では、基板の表面に対してエッチピット処理を施した二枚の単結晶基板により平行にはさまれた空間内で粒子配列を行うことにより、粒子層数が大きくなっても｛１１１｝配向以外の結晶配向が維持されるようにした。
【００６２】
エッチピット処理とは、エッチングにより、結晶の｛１１１｝面が顕在化される処理のことを意味する。また、“平行”という意味は、基板をマクロ的に見たときに平行となっているということである。すなわち、基板の表面は、エッチピット処理により、｛１１１｝面により構成される凹凸状態となるが、基板全体として、マクロ的にみたときに、二枚の基板が平行になるようにするという意味である。
【００６３】
このように、特開２００４−１１９４２８号公報（特許文献３）及び特開２００３−１８５８３２号公報（特許文献６）では、｛１１１｝配向以外の結晶面がでるように設けた境界条件は、１枚の基板表面だけであったが、上記先願では、｛１１１｝配向以外の結晶面がでるように設けた境界条件が、上側基板の下面と下側基板の上面の結晶を挟む両方の面に存在するようにしたことにより、粒子層数が大きくなっても｛１１１｝配向以外の結晶配向が維持されることが可能にしている。しかし、上記先願では、コロイド結晶段階での粒子配列の状況の確認、及び、その後の転換工程における工程の進行状況の確認を膜面方向からは行えなかった。
【００６４】
そこで、本発明では、エッチピット処理により形成された単結晶基板の表面の凹凸形状を、透明な材質に写し取り基板として用いることにより、工程中の状況の確認やコロイド結晶、微粒子構造体（オパール結晶）、周期構造体（インバース構造）などの形成物を膜面方向からも利用できるようにしたものである。
【００６５】
以下、本発明の実施例を、図面を用いて詳細な説明を行う。
（実施例１）
本実施例では、請求項１、請求項２、請求項３、請求項４及び請求項５を実施した例を、図面を用いて説明する。
【００６６】
図１−Ａは、Ｓｉウェハの｛１１１｝面顕在化プロセスの概要を説明するための図である。本実施例では、まず、図１−Ａに示すように、｛１００｝配向のシリコン基板１０１（請求項５の単結晶基板に相当：同図（ａ−１）の断面図と同図（ａ−２）の鳥瞰図を参照）を用意する。
【００６７】
次に、該シリコン基板１０１上に、熱ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）により酸化膜（ＳｉＯ２ 膜）１０２を形成する。ＳｉＯ２ 膜１０２は、図示しないレジストマスクを使った通常のフォトリソグラフィ技術によって円形のパターン１０２ａを形成される（図１−Ａ（ｂ−１）の断面図と図１−Ａ（ｂ−２）の鳥瞰図を参照）。この際、円形のパターン１０２ａの底部では、シリコン基板１０１表面が露出している。
【００６８】
次に、シリコン基板１０１は、パターン１０２ａが形成されたＳｉＯ２ 膜１０２をマスクにして異方性エッチングされる。このエッチングは、例えば水酸化カリウム（ＫＯＨ）をエッチング液として行われる。
【００６９】
ＫＯＨによる基板１０１の｛１１１｝面のエッチング速度は、｛１００｝面よりも遅い。このため、充分なエッチングの後には、基板１０１の表面は、｛１１１｝面により構成される凹凸状態となる。このときの凹凸パターンの形状は、基板の配向とマスクのパターン形状に応じて決まる。
【００７０】
本実施例の場合、凹となる部分は底面が略正方形の四角錘が頂点を下にして配置したような形状を有している。そして、シリコン基板１０１の表面には、エッチングされた部分に対応する凹部であるパターン１０３が形成される。パターン１０３の面１０３ａは、｛１１１｝面となっている（図１−Ａ（ｃ−１）の断面図と図１−Ａ（ｃ−２）の鳥瞰図を参照）。
【００７１】
こうして顕在化した各｛１１１｝面の面間の幾何学的な関係は、面間の角度をθとするときに、｜cosθ｜＝ １／３ または｜cosθ｜＝ １ の関係が成り立っている。
【００７２】
シリコン基板１０１のエッチングの後、ＳｉＯ２膜１０２のマスクを除去することにより、｛１１１｝面が顕在化されたシリコン基板１０１が得られる（図１−Ａ（ｄ−１）の断面図と図１−Ａ（ｄ−２）の鳥瞰図を参照）。
【００７３】
次に、図１−Ａ（ｄ−１），（ｄ−２）のパターンの一つについて拡大し、上方から見た図１−Ｂを用いて、｛１１１｝面の面間の関係を説明する。図１−Ｂ中に示す方向を［１００］とすると（図１−Ａ（ａ−２）と同じ方向）、四角錘パターンを構成する４つの斜面は、図１−Ｂ中に示すように（１１１）、（−１１１）、（−１１−１）、（１１−１）である。また、この各面間の角度は以下のとおりである。
【００７４】
（１１１）と（−１１１）   ：cosθ＝１／３  すなわち  θは約７０.５度
（−１１１）と（−１１−１）：cosθ＝１／３  すなわち  θは約７０.５度
（−１１−１）と（１１−１）：cosθ＝１／３  すなわち  θは約７０.５度
（１１−１）と（１１１）   ：cosθ＝１／３  すなわち  θは約７０.５度
（１１１）と（−１１−１） ：cosθ＝−１／３  すなわち  θは約１０９.５度
（−１１１）と（１１−１） ：cosθ＝−１／３  すなわち  θは約１０９.５度
【００７５】
以上示すように、図１−Ｂの面間の角度は｜cosθ｜＝ １／３となる場合である。一方、｜cosθ｜＝ １ は、指定した面同士の角度関係と、指定面と正反対側の面との角度関係について述べており、平面の状態から異方性エッチングを行う際に、理想的には、エッチング形状の構成面同士の関係が｜cosθ｜＝ １ となる場合はないと考えられる。しかしながら、実際には、｜cosθ｜＝ １／３ となるエッチング形状の構成面中に、｜cosθ｜＝ １ となる結晶面が小面として入り込んでしまう場合もある。
【００７６】
図２は、ニッケル・モールド形成プロセスの概要を説明するための図である。
同図（ａ）において、シリコン基板２０１は、図１−Ａで説明した工程によって形成された｛１１１｝面が顕在化したシリコン基板１０１に相当している。
【００７７】
次に、同図（ｂ）に示すように、該シリコン基板２０１にニッケル電鋳２１０を行った後、同図（ｃ）に示すように、ニッケル電鋳部分をシリコン基板２０１から剥離する。これにより、同図（ｄ）に示すように、シリコン基板２０１の凹凸形状面２０３ａ（図１−Ａの面１０３ａに相当）を転写したニッケッル・モールド２１０が形成される。
【００７８】
図３は、透明基板形成プロセスの概要を説明するための図である。
同図（ａ）に示すように、屈折率１.５１の透明ガラス基板３１１（請求項３に述べる透明材質１に相当）に、硬化後に屈折率が１.５１となるＵＶ硬化型樹脂３１２（請求項３に述べる透明材質２に相当）を塗布する。
【００７９】
次に、同図（ｂ）に示すように、前記工程により形成したニッケッル・モールド３１０（図２のニッケル・モールド２１０に相当）を、前記塗布されたＵＶ硬化型樹脂３１２に押し付ける。
【００８０】
次に、同図（ｃ）に示すように、ＵＶ光を用いてＵＶ硬化型樹脂３１２を固化させた後に、同図（ｄ）に示すように、ニッケッル・モールド３１０を剥離して、図２のシリコン基板２０１の凹凸形状が転写された透明基板３１３（透明ガラス基板３１１とＵＶ硬化型樹脂３１２からなる）を得る。
【００８１】
図４は、２枚の透明基板に挟まれた微小空間の形成方法を説明するための図である。同図において、透明基板４１３と４１３ａは、図３で説明した工程によって形成された透明基板３１３に相当する。
【００８２】
図４に示すように、図３の工程によって形成された透明基板４１３と同様に形成された透明基板４１３ａとを、シリコン基板２０１の凹凸形状が転写された面同士を向かい合わせ、厚さ０.１ｍｍの薄板ガラス４０４をスペーサーとして挟んで配置する。
【００８３】
これらの固定は、接着剤４０５を利用して、透明基板４１３と透明基板４１３ａに挟まれた内部に微小空間４０６が形成されるようにする（同図（ａ）の鳥瞰図と同図（ｂ）の断面図を参照）。
【００８４】
図５は、本発明に係るコロイド結晶の成長を説明するための図である。同図において、透明基板５１３と透明基板５１３ａは、それぞれ図４の透明基板４１３と４１３ａに相当し、これらを貼り合わせて構成物５０１を形成する。
【００８５】
次に、コロイド結晶を形成するための微粒子分散液の調整方法について説明を行う。粒径３００ｎｍの球形状単分散シリカ粒子をエタノールに分散させたものを遠心分離し、上澄み液を除去した後、沈殿物にエタノールを加え、球形状単分散シリカ粒子をエタノールに再度分散させる。
【００８６】
この分散液に対し、同様に遠心分離を行い、上澄み液除去、エタノール添加、再分散を行う。以上の工程を３回行い、最終のエタノール添加の際に、粒子の濃度を１ｗｔ％に調整する。
【００８７】
次に、図５に示すように、透明基板５１３と透明基板５１３ａを貼りあわせた構成物５０１の下端を、上記粒子濃度を調整した微粒子分散液につける（同図（ａ）の鳥瞰図と同図（ｂ）の模式図を参照）。
【００８８】
構成物５０１を微粒子分散液につける際には、構成物５０１中に形成された微小空間５０８（図４の微小空間４０６に相当）に微粒子分散液を導入するために、ガラススペーサー５０４（図４の薄板ガラス４０４に相当）が設けられた側を側方とし、内部の微小空間５０８につながる口を有する一辺を微粒子分散液につけ、もう一方の辺を上方に開放して設置する。
【００８９】
このように設置することにより、構成物５０１の上端からは、分散媒が蒸発するため、微粒子分散液は、下端から構成物５０１内の微小空間５０８に順次供給され、微小空間５０８の上端に微粒子が集積する。
【００９０】
本実施例では、透明ガラス基板３１１を用いているために、微粒子が集積して配列していく様子が外部から確認できる。確認の結果、充分に粒子が集積したところで、構成物５０１を微粒子分散液から引き上げる。
【００９１】
この工程には、通常５日ほどかかる。微粒子分散液から引き上げた構成物５０１は、微小空間５０８につながる上下の口を直ちに封止する。
【００９２】
この後、構成物５０１の面側から、光透過スペクトル計測を行ったところ、６9０ｎｍ付近にフォトニック・バンドギャップからのディップが観測され、コロイド結晶形成の確認をすることができた。
【００９３】
（実施例２）
本実施例では、請求項６、請求項７、請求項８、請求項９の発明を実施した例を、図面を用いて説明する。
【００９４】
シリコン基板へのエッチピット処理、ニッケッル・モールド形成、透明基板の形成、透明基板の張り合わせ、微粒子分散液の調整、貼りあわせた透明基板の構成物を微粒子分散液に漬けてコロイド結晶を成長させるところまでは、上述した実施例１と同様である。
【００９５】
本実施例では、図５の状態から、構成物５０１を微粒子分散液から引き上げた後、微小空間５０８につながる上下の口のうち片方を封止し、一方は、開放したままにしておく。これにより、開放された口の方向から、分散媒の除去がさらに進むことになる。
【００９６】
片側を封止した後、対向する基板の向きに電界をかけ、微粒子を片側の基板に吸着する。これは、図６に示すがごとく、構成物６０１（図５の構成物５０１に相当）を平行平板電極６０９で挟み、直流電源６１０からの直流電圧を印加することにより行うことができる。
【００９７】
構成物６０１内の分散媒が除去されることにより、構成物６０１内のコロイド結晶はオパール結晶へと転ずる。
【００９８】
この状態で、構成物６０１内の分散媒が完全に除去されるまで放置する。分散媒の除去後、構成物６０１の内部にはオパール結晶が形成される。
【００９９】
このことは、構成物６０１の面側から、光透過スペクトル計測を行ったところ、６２０ｎｍ付近にフォトニック・バンドギャップからのディップが観測され、オパール結晶形成の確認をすることができた。
【０１００】
（実施例３）
本実施例では、請求項１０、請求項１１の発明を実施した例を、図面を用いて説明する。
本実施例では、実施例３の工程で形成したオパール結晶を使用する。構成物７０１（図５の構成物５０１、図６の構成物６０１に相当）の開口部から、構成物の微小空間７０９にＵＶ硬化樹脂を導入するが、このときに、ＵＶ硬化樹脂の導入がスムーズに行くように、構成物７０１の開口部の一方を封止していた封止材（図６の封止材に相当）は、あらかじめ除去しておいた。樹脂の導入後、ＵＶ照射を行い、樹脂を硬化させた。
【０１０１】
樹脂を硬化させた後に、構成物７０１を５％のフッ酸水溶液に浸漬、４日間放置し、シリカ粒子のエッチングを行い、シリカ粒子の除去を行った。
【０１０２】
シリカ粒子のエッチング終了後、純水リンス、乾燥した。この後、構成物７０１の面側から光透過スペクトルを計測したところ、５３０ｎｍ付近にフォトニック・バンドギャップからのものと考えられるディップを観測することができた。
【０１０３】
通常の｛１１１｝配向のオパールを用いてインバース構造を形成すると、ディップは６００ｎｍ付近に見えるが、これよりも短波長側にディップが見られる。
【０１０４】
また、この構造物の菊池・コッセルパターン測定を行ったところ、四回対象のパターンが得られた。これらのことから、この構造物は、｛１００｝配向のインバース構造を形成できたことが確認できた。
【０１０５】
なお、実施例では、｛１００｝配向の基板を用いた例を示したが、｛１１０｝配向の基板を用いても、同様の工程により、｛１１０｝配向のコロイド結晶、オパール結晶、インバース構造を得ることができる。
【０１０６】
また、本発明は、実施例３（図７）のようにＵＶ硬化樹脂を充填するものに限定されるものでなく、例えば、微粒子よりもさらに小さな微粒子を充填するものであってもよい。また、充填の方法についても、ＣＶＤやゾル、ゲルの特性を用いて微粒子間を充填するものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１０７】
【図１−Ａ】Ｓｉウェハの｛１１１｝面顕在化プロセス概要を説明するための図である。
【図１−Ｂ】凹凸パターンの一つを拡大して上方から見た図である。
【図２】ニッケッル・モールド形成プロセスの概要を説明するための図である。
【図３】透明基板形成プロセスの概要を説明するための図である。
【図４】２枚の基板に挟まれた微小空間の形成方法を説明するための図である。
【図５】コロイド結晶成長法を説明するための図である。
【図６】分散媒の除去方法を説明するための図である。
【図７】インバース構造形成（ＵＶ硬化樹脂の導入）を説明するための図である。
【符号の説明】
【０１０８】
１０１，２０１：シリコン基板
１０２：酸化膜（ＳｉＯ２ 膜）
１０２ａ：円形のパターン
１０３：パターン
１０３ａ，２０３ａ：面
２１０，３１０：ニッケッル・モールド（ニッケル電鋳部分）
３１１：透明ガラス基板
３１２：ＵＶ硬化型樹脂
３１３，４１３，４１３ａ，５１３，５１３ａ：透明基板
４０４：薄板ガラス
４０５：接着剤
４０６，５０８，７０９：微小空間
５０１，６０１，７０１：構成物
５０４：ガラススペーサー
６０９：平行平板電極
６１０：直流電源
【図１−Ａ】
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【図１−Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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